武大师生首次揭秘黑洞“闪烁”

　　“整个宇宙，将为你闪烁。”这是科幻作品《三体》中描绘的经典场景。作品中，射电望远镜观测到了肉眼看起来平静，却进行着强能量活动的“星空”。看到这一不寻常现象，故事主角为之兴奋、诧异、震惊。

　　在现实中，这份因“闪烁”而引发的兴奋，落在了武汉大学天系一个研究团队身上。经过近四年努力，武汉大学天文学系与中国科学院国家天文台等单位合作，观测到了“黑洞微类星体中的亚秒级周期射电振荡”。相关研究成果，不久前登上国际学术期刊Nature（《自然》杂志）。

　　武汉大学天文学系教授王伟告诉《中国科学报》，研究团队观测到的射电振荡信号“就好像黑洞在‘闪烁’”。

　　中国天眼首次揭秘来自黑洞中神秘的射电脉冲信号。受访者供图

　　探索神秘“新”信号

　　“人体的心电图，可以反映人的身体状况。类似的，宇宙中的天体也会发出一些特有的信号，人们可以通过这些‘闪烁’了解它们内部发生的变化。”王伟告诉记者。

　　其实，早在上个世纪，天文学家就开始探索天体的“闪烁”了。

　　20世纪60年代，英国科学家发现能稳定发射脉冲信号的致密天体脉冲星，记录到其像“心电图”一样的系列脉冲。这一发现后来获得了诺贝尔物理学奖，脉冲星也因其在天文研究中的重要性，被人们称为“宇宙的灯塔”。

　　但是，天文学家并不想止步于此。即便脉冲星的密度再大，所谓“小小的身体里蕴藏着大大的质量”，其引力仍无法和黑洞相提并论。“我们常说，没有一束光可以逃过黑洞的引力。”王伟分析说。

　　那么，没有“光”，要通过什么来观测？

　　“相关的研究有很多，但我们想做的，是探索黑洞特殊的射电信号。”据王伟介绍，黑洞会把其周围物质“拉进来”并加热，之后再把它们“抛”出去，形成一种叫喷流的物质。通过观测微弱的喷流信号，就可以揭开黑洞神秘面纱的一角。

　　此前，王伟团队主要使用“慧眼”卫星探索黑洞。随着“中国天眼”（500米口径球面射电望远镜，简称FAST）建成、投入使用并产出很多天文新发现，一个大胆的想法在王伟心中萌发：能不能利用FAST去观测黑洞？

　　FAST主要观测目标是脉冲星等天体，在科学目标设计上并没有观测黑洞这一项。 这一次，王伟团队利用FAST，首次对黑洞微类星体开展时间分辨率高达50微秒的射电观测。

　　“黑洞越神秘，我们就越想要探索。”王伟说，“我们做的是有史以来最高精度的黑洞射电观测。”在50微秒的高时间精度下，黑洞在毫秒之间的变化，都逃不过FAST的“眼睛”。

　　2019年有了初步想法，并申请到FAST观测时间的王伟，开始推进这一课题。

　　自2020年初起，来自黑洞的微弱射电信号，就开始源源不断地被FAST接收并存储下来，由于疫情，数据一直无法获取和进行分析。同年暑期，一名学生加入王伟团队攻读博士学位，开始参与处理这些已积累几个月的观测数据。

　　彼时的他，还不知道这是怎样的一个“大工程”。

　　王伟教授。武汉大学天文学系供图

　　“数据堆”里找“闪烁”

　　“从我2020年7月加入团队，到这篇文章正式接收，过了三年时间。”论文第一作者、团队2023届博士毕业生田鹏夫告诉《中国科学报》。

　　在这“漫长”的三年中，他的主要工作就是数据处理。

　　“其实，如果只是处理数据，不会花这么长时间，”田鹏夫说，“这与我起初对研究的内容完全不熟悉有关。”

　　几乎是从零开始，田鹏夫在合作团队成员的指导下，学习相关的数据处理方法。但是，由于如此高精度的黑洞“闪烁”研究前所未有，即便有老师指导，也还需要自己摸索着前进。

　　编写数据处理软件系统、自组计算机集群、开发新的物理途径……相关研究工作几乎都是从“新”开始。“由于观测和数据分析方法都是全新的，很多工作，都需要自行创造研究条件。因此，我们进行了艰难的尝试。”王伟说。

　　2021年，该团队在一堆数据中发现了一个“不一样”的信号。兴奋之下，验证后的结果却给大家泼了一盆冷水——这个信号是由于仪器自身抖动造成的，与黑洞等天体无关。

　　就像在电影《独行月球》中，被遗留在月球上的唯一人类发现他的“精神支柱”——从地球上发来的信号——竟是因袋鼠同伴不小心碰到电线产生的，而瞬间崩溃。

　　那时的田鹏夫，继续探索的热情也被浇灭了一半。“心里空落落的。做了一年多，别说有结果，甚至连方法都是错的。”回忆当时的情景，田鹏夫仍有些挫败感。

　　更令他着急的是，同一批跟着导师王伟读博的3名博士研究生中，除他之外，另外两名同学都频频发表SCI论文，一个同学三年发了3篇，差不多一年一篇；另一个同学三年发了五篇，差不多半年一篇，而他聚焦的“黑洞闪烁”因为“太过虚幻”，直到临近毕业，他还一篇论文成果都没有。

　　在这期间，因为压力大，他常常焦虑得睡不着觉。手上这篇不知道何时才能完成的“黑洞”论文，成了堵在他心头的大石头。

　　有一次，田鹏夫几乎彻夜失眠。那天早上，他和王伟约好要进行工作讨论。“到了办公室，我很清楚王老师在发出声音，但至于他说的是什么意思，我根本反应不过来，”田鹏夫说，“我的脑子里就像一团浆糊。”

　　由于黑洞的射电信号过于微弱，数据被干扰是常有的事儿。此前，背景干扰就曾盖过了黑洞信号，王伟只好向FAST申请补偿观测。

　　“很幸运，那次补测刚好看到了这个信号。”王伟说。

　　获得信号只是第一步，有了干扰的“前车之鉴”，团队对此次补测所获得的数据进行了更多检查，证明它真实存在。

　　基于这次观测数据，2022年暑期，论文终于投稿了。压在田鹏夫心里的石头，稍微落了地。

　　武汉大学王伟团队。受访者供图

　　坐着“过山车”改稿

　　“审稿的过程，就像坐过山车一样。”田鹏夫回忆，论文一审意见比较积极，这让他很高兴，觉得修改之后就可以等着发表。但到了二审，多位审稿人间却持有截然不同的态度。论文迟迟没有被接收，

　　田鹏夫心情“每况愈下”。

　　在这期间，为了不让学生承受更多压力，“被搞抑郁”，王伟没让田鹏夫参与审稿的过程，而是将难题留给自己。

　　黑洞的射电脉冲信号十分微弱，人们依然不清楚它的物理本质。在这篇论文之前的版本中，该团队构建了一个物理模型，试图就这一发现讲一个合理的科学故事。

　　“随着和审稿人、主编之间来回‘交涉’，我们最后把所有物理模型和故事全去掉，将它变成一篇单纯阐述科学现象发现的论文。”王伟说。

　　功夫不负有心人！经过多次观测，该团队在2021年1月和2022年6月，两次发现黑洞存在暂现的亚秒级射电准周期振荡现象——这说明这种现象不是偶然的，审稿人无话可说，论文很快被接收。

　　“这种奇特的现象，是第一次在黑洞系统中被看到。”王伟介绍，此次黑洞“闪烁”的发现，对于揭示致密天体相对论性射电喷流的起源与动力学过程具有重要科学意义，将打开黑洞射电观测和理论研究的新思路。

　　“对我个人来说，近一年的审稿历程具有很大的挑战，不过四年的坚持总算有收获。”王伟开心地说。

　　多年来，王伟和团队致力于研究致密天体和高能天体物理现象，利用“中国天眼”FAST、“慧眼”卫星、LAMOST（郭守敬望远镜）等开展多波段天文观测和科学发现，产出系列科研成果。

　　对田鹏夫来说，这篇三年磨一剑的论文，赶在博士学位答辩之前正式发表，让他的博士生涯从岌岌无名、“暗淡无光”，到广受关注、豁然开朗。“就是那种苦尽甘来的快乐！”田鹏夫高兴地告诉记者。

　　王伟也很高兴，一是终于没有耽误学生，二是研究上又向前走了一步。半年多没发过朋友圈的他连发了两条动态，他写道：“黑洞中还存在很多未知的现象，期待可以带着学生继续用FAST等高灵敏度天文望远镜，获得更多发现。”

　　黑洞到底发生了什么？宇宙到底为谁闪烁？他们充满期待。

　　采访花絮

　　《中国科学报》：有网友希望我们向您提一个问题，“黑洞会闪烁”，会不会是外星人的信号？

　　王伟：那到底是什么还很难确定。但我分析，是外星人的可能性不大。一方面，就目前的研究看，世界上还没有外星人甚至外星生命存在的天文证据；另一方面，黑洞对接近它的物体有破坏性——吞噬或撕碎，可以说黑洞极及其周围的“生存环境”非常恶劣。如果真有外星人，他们大可选择在火星、木星等环境相对友好的星球安家，而不会选择在黑洞附近驻留。

　　《中国科学报》：科学家什么时候能搞清楚“黑洞的闪烁”到底是什么？

　　王伟：还不知道，我们还需要进行更精密地观测和分析。

　　相关论文信息：

　　https://www.nature.com/articles/s41586-023-06336-6